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Université Hadj Lakhdar – Batna
Faculté de Technologie
Département d’Electrotechnique
THÈSE DE DOCTORAT EN SCIENCES
Présentée par :
Mechouma Rabiaa
Ingénieur d’état en Electrotechnique de l’Université de Batna, Algérie, 1990 Magister en Electrotechnique de l’Université de Batna, Algérie, 2002
Thème :
Contribution à l’étude des onduleurs dans les systèmes
photovoltaïques: Applications pour les charges
commerciales
Soutenue le 14/03/2015 Devant le jury composé de : Nom & Prénom
Abdessemed Rachid Azoui Boubekeur Bendaas Lokmane Rahem Djamel Menacer Arezki Benalla Hocine Grade Professeur Professeur Professeur Professeur Professeur Professeur Université Université de Batna Université de Batna Université de Batna Université d’O.E.B Université de Biskra Université de Constantine Fonction Président Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur
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À :
Mes parents,
Mon époux Mr : ALOUI. NACER, Mes enfants : ABDESSALAM et RAOUNAK,
3 Remerciements Dédicaces Résumé Introduction générale………..………… .14 Chapitre N°1 Perspectives énergétiques et électricité I.1 Introduction...….. .17
I.2 Ressources et consommation énergétiques mondiales……….……… 17
I.2.1 L’énergie …c'est-à-dire ?... 17
I.2.2 L’histoire de l’énergie ………...…... 17
I.2.3 Consommation énergétique mondiale ……….… 18
I.2.4 Impact sur l’environnement ………..……… 21
I.2.4.1Les combustibles fossiles………...….. 21
I.2.4.2 L’énergie nucléaire………...….. 22
I.2.5 Réserves des énergies dites épuisables (non renouvelables)………...…….. 23
I.3 Production de l’électricité………...……….. 25
I.4 Énergies renouvelables………...………...26
I.4.1 Généralités………...…….…...26
I.4.2 Production d’énergie électrique par sources renouvelables ………...27
I.4.2.1 La production d’électricité, un facteur de développement………...……..……27
I.4.2.2 Part de la production d’électricité renouvelable dans le monde ………28
I.4.2.3 Croissance des filières renouvelables cinq (05) fois plus rapide que celle de l’hydraulique ………..….…29
I.4.3 Potentiel de l’énergie solaire...………..………..30
I.4.3.1 Exemples de l’évolution mondiale du solaire photovoltaïque ………..………..31
I.4.3.2 Les énergies renouvelables, une priorité en Algérie ………..…….32
I.4.3.3 Le solaire en Algérie ………34
I.5 Conclusion..………..…...…………....35
I.6 Références ………...36
Chapitre N°2 Notions générales sur les systèmes photovoltaïques et leurs composants II.1 Introduction………38
II.2 Historique sur le photovoltaïque ………38
II.3 La source photovoltaïque : le rayonnement solaire ………..39
4
II.3.2.2 Rayonnement solaire sur un plan horizontal ………...43
II.3.2.3 Rayonnement solaire sur un plan incliné ………45
II.3.3 Spectre du rayonnement solaire………..46
II.3.4 Utilisation de l’énergie solaire………47
II.3.4.1 L’énergie solaire thermique……….48
II.3.4.2 L’énergie solaire thermodynamique………48
II.3.4.3 L’énergie solaire photovoltaïque……….48
II.3.5 Applications du photovoltaïque………..49
II.3.5.1 Le photovoltaïque raccordé au réseau……….49
II.3.5.2 Le photovoltaïque (autonome) non raccordé au réseau électrique……….50
II.3.5.3 Les systèmes hybrides………..51
II.3.6 Les technologies du photovoltaïque………...52
II.3.6.1 La cellule photovoltaïque : Élément de base de la conversion (PV)………..52
II.3.6.2 Types de cellules photovoltaïques………..53
II.3.6.3Notion de module photovoltaïque………55
II.3.6.4Caractéristiques électriques d’un module photovoltaïque (PV)………..56
II.3.6.4.1 Caractéristiques courant-tension et puissance-tension d'un module (PV)………..56
II.3.6.4.2 Effet du niveau d'éclairement sur les caractéristiques module (PV)………57
II.3.6.5 Orientation et inclinaison des modules………58
II.3.7 Notion d’un champ photovoltaïque ………59
II.3.8 Composants d’un système photovoltaïque……….…59
II.3.8.1 Le champ photovoltaïque (ou le GPV ou générateur photovoltaïque)………...60
II.3.8.2 Les charges continues………..…….62
II.3.8.3 Les batteries de stockage de l’électricité photovoltaïque………..……..62
II.3.8.4 Le convertisseur DC /DC………...63
II.3.8.5 Le régulateur de charge /décharge………64
II.3.8.6 Commande MPPT pour un système photovoltaïque………...……….68
II.3.8.7 Le convertisseur DC/AC (l’onduleur) ……… 70
II.3.8.7.1 L'onduleur autonome (Stand alone Inverter)………....70
II.3.8.7.2 Onduleur non autonome ou onduleur raccordé au réseau (Grid Connected Inverter)……….71
II.3.8.8 Configurations des onduleurs photovoltaïques………....73
II.3.8.9 Contrôle des onduleurs connectés au réseau………....74
II.3.8.10 Évolution des onduleurs photovoltaïques ……….75
II.3.8.11 Les charges alternatives………..………76
II.3.9 Conclusion………...76
II.5 Références………..76
Chapitre III Modélisation du générateur photovoltaïque III.I Introduction………79
5
III.2.2.1 Premier modèle (à une diode)………...82
III.2.2.2 Premier modèle (à deux diodes)...………..…...84
III.2.2.3 Deuxième modèle mathématique ………..……....84
III.2.2.4 Troisième modèle mathématique………..….85
III.2.2.4 Quatrième modèle mathématique………...………....86
III.3 Modélisation du panneau et du champ photovoltaïques………...87
III.4 Détermination des paramètres du modèle ………88
III.5 Pramètres basiques d’une cellule réelle………...………….88
III.6 Caractéristiques d’un panneau photovoltaïque………...……..90
III.7 Influence de l’intensité du rayonnement solaire sur les deux caractéristiques………….91
III.7.1 Définition du niveau d'éclairement………...…....91
III.7.2 Effet du niveau d'éclairement sur les caractéristiques ………....92
III.8 Influence de la température sur les deux caractéristiques ………93
III.9 Influence du facteur d’idéalité des diodes……….96
III.10 Influence de la résistance série RS sur les différentes caractéristiques………..….99
III.11 Évaluation préliminaire des modèles ………...……...…….101
III.12 Conclusion ………..…….102
III.13 Références………...…..…………103
Chapitre IV Topologies des onduleurs Photovoltaïques IV.1Introduction ……….…...…...105
IV.2 Principales fonctions d’un onduleur PV………....106
IV.3 Différentes technologies d’onduleurs pour systèmes photovoltaïques……….106
IV.3.1 Les onduleurs centraux………...………....106
IV.3.2 Les onduleurs mono-chaîne (String-Inverter) ………...107
IV.3.3 Les onduleurs Multi-chaîne (Multi-String-Inverter)………..107
IV.3.4 Les onduleurs modulaires (ou intégrés au modules) (Module-Inverter)…………....108
IV.4 Classification des onduleurs pour systèmes photovoltaïques………...110
IV.4.1Classification selon le type du système photovoltaïque ……….…110
IV.4.1.1 L’onduleur pour application autonome (Standalone Inverter)……….………….. 110
IV.4.1.2 L’onduleur pour couplage au réseau électrique (Grid tied Inverter) ………..110
IV.4.1.3 L’onduleur interactif (Interactive Inverter)………...…………...111
IV.4.1.4 L’onduleur hybride (Hybride Inverter)…………...………..112
IV.4.2 Classification selon le nombre d'étages de traitement de puissance………..….112
IV.4.3 Classification selon la location de condensateurs de découplage de puissance……...113
IV.4.4 Classification selon l’utilisation des transformateurs et types d'interconnexions…....114
IV.4.4.1 Les avantages d'un onduleur avec transformateur………..………….……….115
IV.4.4.2 Les avantages d'un onduleur sans transformateur………..……...115
IV.5 Types d’interfaçage des onduleurs au réseau électrique………...115
IV.5.1 Onduleurs à commutation avec la fréquence du réseau (f=50Hz) (LCI : Line-CommutatedInverter)………...………...………...116
IV.5.2 Onduleurs à commutation avec la fréquence élevée (SCI : Self Commutated Inverter………...………...116
IV.5.2.1 Les onduleurs de tension ……….………...117
IV.5.2.2 Les onduleurs de courant………...………...117
6
IV.7 Dispositifs de commutation………...……….118
IV.8Topologies des onduleurs employés dans les systèmes PV ………...119
IV.8.1 Topologies des onduleurs monophasés………...119
IV.8.1.1 Onduleurs munis d’un transformateur de type (LFT)………...119
IV.8.1.1.1 Topologie utilisant un onduleur en pont de transistors……….119
IV.8.1.1.2 Topologie utilisant un onduleur en pont de transistors avec un convertisseur DC/DCsurvolteur...………...…….………...120
IV.8.1.1.3 Onduleur couplé magnétique……….………...121
IV.8.1.2 Onduleurs munis d’un transformateur de type (HFT)………...122
IV.8.1.2.1Onduleur PV avec deux étages de conversion ……....………. …..122
IV.8.1.2.2 Onduleur PV avec trois étages de conversion……….…122
IV.8.1.2.3 Onduleur PV avec trois étages de conversion et un transformateur ordinaire HF………..………123
IV.8.1.2.4 Onduleur PV avec quatre étages de conversion et un transformateur à point Milieu ………...…………..….124
IV.8.1.3 Onduleurs sans transformateur………...124
IV.8.1.3.1 Onduleur avec inductance flottante (topologie de Karschny) ………...124
IV.8.1.3.2 Onduleur en pont avec convertisseur DC/DC Survolteur ……….125
IV.8.1.3.3 Onduleur en pont H5………126
IV.8.1.3.4Onduleur HERIC………...………126
IV.8.1.3.5 Onduleurs en demi-pont avec convertisseur DC/DC Survolteur………...127
IV.8.1.3.6 Onduleurs en demi pont avec convertisseur DC/DC Survolteur et circuit de type HERIC………128
IV.8.1.3.7 Onduleurs à demi-pont avec convertisseur DC/DC double Survolteur………...128
IV.8.1.3.8 Onduleur à diodes clampées au neutre (NPC inverter)………129
IV.8.1.3.9 Onduleur multi-chaînes avec plusieurs convertisseurs DC/DC survolteurs………...….. 130
IV.8.1.3.10 Onduleur avec le concept Maître-esclave………...…………...131
IV.8.1.3.11 Onduleur avec le concept d’équipe………132
IV.8.1.3.12 Topologie à base du convertisseur Cuk ………...…………..133
IV.8.1.3.13 Topologie à base du convertisseur ZETA………...134
IV.8.1.3.14 Topologie à base du convertisseur D2………....134
IV.8.1.4 Topologies d’onduleurs modulaires……….135
IV.8.2 Topologies des onduleurs triphasés………..……...………...136
IV.8.2.1 Onduleur de tension (VSI) équipé de MOS avec convertisseur DC/DC survolteur……...137
IV.8.2.2 Onduleur de courant (CSI)……….………..138
IV.8.2.3 Onduleur triphasé à trois fils équipé de transistors bipolaires (BJT) sans convertisseur survolteur..……….………...139
IV.8.2.4 Onduleur triphasé à quatre fils avec diviseur capacitif sans convertisseur DC/DC Survolteur………...……139
IV.8.2.5 Onduleur triphasé à quatre fils avec diviseur capacitif avec un seul convertisseur DC/DC survolteur ………...……… 140
IV.8.2.6 Onduleur triphasé à quatre fils avec diviseur capacitif avec plusieurs convertisseurs DC/DC survolteur montés en parallèle………..140
7
IV.8.2.9 Onduleur triphasé parallèle………...…...….143
IV.8.2.10 Onduleur triphasé avec stabilisateur et transformateur………..144
IV.8.2.11 Onduleur avec transformateur à prise médiane………...…...145
IV.9 Comparaison avec les onduleurs monophasés………..…...…...……....146
IV.10 Conclusion………...………...…..147
IV.11 Références………....148
Chapitre V Simulation des Onduleurs Photovoltaïques Couplés au Réseau Électrique BTA V.1 Introduction………...………...151
V.2 Les différents réseaux électriques………...……….152
V.3 Simulation d’un système (PV) couplé au réseau basse tension A (BTA)…………...153
V.3.1 Simulation du système (PV) couplé au réseau BTA avec un onduleur monophasé en pont complet sans convertisseur DC/DC………...……...……..153
V.3.2 Simulation du système (PV) non couplé au réseau BTA avec un onduleur triphasé sans convertisseur DC/DC………...………...159
V.3.2.1 Schéma de simulation………...……….159
V.3.2.2 Principe de la commande par hystérésis de l’onduleur ………160
V.3.2.3 Résultats de simulation………...161
V.3.2.4 Spectre de tension et du courant de sortie pour une phase………....163
V.3.2.5 Effet de la charge sur le rendement de l’onduleur………...165
V.3.3 Simulation du système (PV) couplé au réseau BTA avec un onduleur triphasé sans convertisseur DC/DC………...……...166
V.3.3.1 Résultats de simulation pour une charge (R=30Ω, L=5mH)………...166
V.3.3.2 Influence de la charge sur le comportement dynamique du système………168
V.3.3.3 Influence du rayonnement sur le comportement dynamique du système………….170
V.4 Conclusion………....172
V.5 Références………...173
Chapitre VI Simulation des Onduleurs Photovoltaïques Multi niveaux Couplés Au Réseau Électrique BTB et HT VI.1 Introduction……….174
VI.2 Onduleur NPC triphasé à trois niveaux commandé par la stratégie PWM multiple avec convertisseur DC/DC survolteur ………...…..175
VI.2.1 Modèle du GPV…...………... 176
VI.2.2 Modèle du convertisseur DC/DC survolteur et son contrôle………..……177
VI.2.2.1 Modèle du convertisseur DC/DC survolteur………...…….177
VI.2.2.2 Contrôle MPPT du convertisseur DC/DC survolteur………...…....179
VI.2.3 Modèle de l’onduleur NPC triphasé trois niveaux………..179
VI.2.4 Commande PWM de l’onduleur NPC triphasé trois niveaux……….179
VI.2.5 Simulation du système global raccordé au réseau BTB……….180
VI.2.5.1 Résultats des simulations avec un rayonnement solaire Constant (G=1000W/m2) avec réseau déconnecté………...………181
8
VI.2.5.1.3 Paramètres de l’onduleur………...………182
VI.2.5.2 Résultats des simulations avec un rayonnement solaire Constant (G=1000W/m2) avec réseau connecté………...………183
VI.2.5.3 Rendement de l’onduleur avec un rayonnement solaire constant (G=1000W/m2)………185
VI.2.5.4 Résultats des simulations avec un rayonnement solaire variable avec réseau déconnecté………...187
VI.2.5.5 Résultats des simulations avec un rayonnement solaire variable avec réseau connecté………...…...190
VI.2.5.6 Rendement de l’onduleur pour un rayonnement variable………193
VI.2.5.7 Spectre de la tension et du courant avant et après le filtre pour la phase “a”……..193
VI.3 Onduleur NPC triphasé neuf niveaux commandé par la stratégie PWM multiple avec convertisseur DC/DC survolteur pour raccordement au réseau HT………195
VI.3.1 Commande complémentaire………...……….198
VI.3.2 stratégie de commande PWM à 08 porteuses………..199
VI.3.3 Modélisation du Système photovoltaïque raccordé au réseau HTA………....200
VI.3.3.1 Modélisation de la source photovoltaïque………...….201
VI.3.3.2 Convertisseur DC / DC survolteur et son contrôle………...202
VI.3.3.2.1 Représentation d’état du convertisseur DC/DC ………....202
VI.3.3.2.2 Le contrôleur MPPT………...………. .203
VI.3.3.3 Modèle de l’onduleur et son circuit commande………203
VI.3.4 Simulation du système global………..204
VI.3.5 Résultats de simulation ………...205
VI.3.5.1 Caractéristique de la source (PV)……….205
VI.3.5.2 Paramètres du convertisseur DC/DC……… ………...206
VI.3.5.3 Paramètres de l’onduleur NPC triphasé à neuf niveaux………...206
VI.3.5.4 Rendement de l’onduleur NPC triphasé à neuf niveaux………...209
VI.3.5.5 Spectre de la tension et du courant avant et après le filtre pour la phase “a”…..…210
VI.4 Conclusion………...……...212
VI.5 Références………...213
Conclusion générale………...………….215
9
Avant tout, je remercie ALLAH, le tout puissant, de m’avoir
donné le courage, la patience et la volonté pour accomplir ce
travail.
Je tiens à souligner l’estime que je porte à monsieur : B.
AZOUI encadreur de la présente thèse pour sa patience, ses
conseils, ses qualités et son soutien moral.
Mes remerciements les plus vifs vont au Professeur à
l’Université de Batna, monsieur R. ABDESSAMED président
du jury. Je veux lui témoigner ma reconnaissance pour le
soutien moral qu’il m’a apporté et pour ses encouragements
partout où il m’a rencontrée.
Mes remerciements les plus vifs vont aussi à l’ensemble des
membres du jury à savoir :
Monsieur : L. Bendaas : Professeur à l’Université de Batna,
monsieur : Dj. Rahem. : Professeur à l’Université d’O.E.B,
monsieur : A. Menacer: Professeur à l’Université de Biskra
et monsieur : H. Benalla: Professeur à l’Université de
Constantine pour leur participation et leur évaluation du
présent travail.
Je tiens à remercier monsieur S. Belkacem maître de
conférences à l’université de Batna pour l’aide qu’il m’a
apportée.
10
Résumé
Une industrie majeure est en cours de constitution comme le montre l’intérêt
croissant aux énergies renouvelables en particulier l’énergie solaire. C’est
l’énergie la plus utilisée à cause de ses nombreuses qualités. Et comme
l’Algérie comporte un gisement solaire exceptionnel grâce à sa grande
superficie donc elle représente une source importante de l’énergie
photovoltaïque.
L’onduleur est le cœur de tout système photovoltaïque. Cet appareil transforme
le courant continu des panneaux solaires en courant alternatif. Il joue le rôle
d’interface entre le champ photovoltaïque et le réseau électrique. Il doit
répondre aux exigences de l’interconnexion au réseau électrique : d’une part la
fréquence et d’autre part la valeur maximale de la tension.
On distingue trois types d’onduleurs : à savoir les onduleurs centraux, les
onduleurs (mono-chaîne ou multi-chaîne) et les onduleurs modulaires. Pour
chaque type, l’onduleur existe selon plusieurs topologies.
L’objectif de ce travail est la contribution à l’étude des onduleurs dans les
systèmes photovoltaïques, la présentation de leurs différentes topologies, leurs
types de contrôle et la manière dont ils sont interfacés au réseau électrique. Pour
cela trois systèmes raccordés au réseau BTA, BTB et HTA ont été étudiés.
Mots clés : SPV, onduleur NPC, onduleur triphasé multi niveaux, MPPT, convertisseur DC/DC, réseau électrique BTA, BTB, HTA, PWM.
11
Abstract
A major industry is being set up as shown by the growing interest in renewable
energy, in particular solar energy. It is the most used energy because of its many
qualities. And as Algeria has an exceptional solar resource due to its large area
solar radiation so it is an important source of photovoltaic.
The inverter is the heart of every photovoltaic system .This device converts the
direct current from the solar panels into alternating current. It acts as an
interface between the PV array and the electrical grid .It must meet the
requirements for interconnection to the power grid :firstly the frequency, and on
the other hand the maximum voltage value.
There are three types of inverters: namely central inverters, string inverters,
multi string inverters and modular inverters. For each type, the inverter is based
on several topologies.
The objective of this work is the contribution to the study of inverters in
photovoltaic systems, presenting their different topologies, their control types
and how they are interfaced to the grid. For this, three PV systems connected to
the low voltage network “A”, the low voltage network “B” and high voltage
network “A” were studied.
Keywords: PV system, NPC inverter, three-phase multilevel inverter, MPPT, DC/DC converter, low voltage network “A”, low voltage network “B”, High voltage network “A”, PWM.
12
صخلملا
ايلاح يرجي
،ةيسيئر ةعانص ءاشنإ
،ةددجتملا ةقاطلا لاجم يف ديازتملا مامتهلاا نم حضتي امك
.ةددعتملا اهتافص ببسب امادختسا رثكلأا ةقاطلا يه و .ةيسمشلا ةقاطلا ةصاخ و
لكشت اهنإف يلاتلابو ،ةعساشلا اهتحاسم لضفب كلذو ، ةيئانثتسا ةيسمش دراوم اهيدل رئازجلا
لاخلا نم ةدلوملا ةيسمشلا ةقاطلل اماه اردصم
( ةيئوضورهكلا اي
PV
)
.
ربتعي
ئوضورهك ماظن لك بلق جومملا
حاوللأا نم رشابملا رايتلا ليوحتب زاهجلا اذه موقي ،
ماظن نيب ةهجاو ةباثمب اهنإ .بوانتم رايت ىلإ ةيسمشلا
)
PV
(
ةيئابرهكلا ةكبشلا و
نأ بجي هنإف .
ددرتلا يف اساسأ ةلثمتملاو ءابرهكلا ةكبشل طبرلا تابلطتم يفوتسي
.ىوصقلا دهجلا ةميقو
،ةلسلسلا ةيداحلأا تاجومملا ،ةيزكرملا تاجومملا :يهو تاجومملا نم عاونأ ةثلاث كانه
ةدع ىلع دنتسي جومملا ،عون لك يف .ةيودحولا تاجومملا و لسلاسلا ةددعتملا تاجومملا
.تاططخم
ةيئابرهكلا مظنلا يف تاجومملا ةسارد يف ةمهاسملا وه لمعلا اذه نم فدهلا
ضرعلا ،ةيئوضلا
طبر متي فيكو اهيف مكحتلا ةيفيك ،ةفلتخملا هتايجولوبطل
ه
ةمظنأ ةثلاث اذهل .ةيئابرهكلا ةكبشلاب ا
ةكبشلاب ةلصتم
ذ
ةكبشلاب ،"أ" ضفخنملا دهجلا تا
ذ
ةكبشلاب مث "ب" ضفخنملا دهجلا تا
ذ
تا
.اهتسارد تمت "أ" يلاعلا دهجلا
ةيحاتفملا تاملكلا
ماظن :
PV
جومملا ،
NVC
عبتتم ،تايوتسملا ددعتم راوطلأا يثلاث جومملا ،
﴿ ىمظعلا ةعاطتسلاا ةطقن
TVVM
لوحم ، ﴾
CN/CN
ةكبشلا ،
ذ
،"أ" ضفخنملا دهجلا تا
ةكبشلا
ذ
ةكبشلا "ب" ضفخنملا دهجلا تا
ذ
مكحتلا ةيجيتارتسإ ،"أ" يلاعلا دهجلا تا
VWT
.
13
Abréviations
Abréviations
PV : photovoltaïque GES : Gaz à Effet de Serre
AIE : Agence Internationale de l’Énergie.
OECD : Organization for Economic Co-operation and Development (Organisation de coopération et de développement économiques).
ppmv : parts per million volume (exemple : 15 ppmv = 15 parts of H2S/1000000 total parts = 0.000015 volume fraction = 0.000015 molar fraction x 100% = 0.0015 mol%)
H2S : hydrogène sulfuré
NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration AFH2 : Agence Française de l’Hydrogène.
Les Bunkers: les chambres à gaz. ONU : Organisation des Nations Unies. CEA : Commissariat de l'énergie atomique EnR : Énergie Renouvelable
DC : Direct Current (courant continu)
AC : Alternating Current (Courant Alternatif) SPV : Système Photovoltaïque
GPV : Générateur Photovoltaïque
GCI : Grid Connected Inverter (onduleur connecté au réseau) VSI : Voltage Source Inverter (onduleur de tension)
CSI : Current Source Inverter (onduleur de courant)
MIC : Module-Integrated-Converter (convertisseur intégré au module) Boost : survolteur
TBT : Très Basse Tension BTA : Basse Tension A BTB : Basse Tension B HTA : Haute Tension A HTB : Haute Tension B
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Introduction générale
L'énergie est un facteur essentiel du développement économique et social de notre société. La croissance spectaculaire de la population mondiale dans le courant du siècle dernier, le développement industriel et l'accélération de l'urbanisation se traduisent par une demande d'énergie en forte expansion.
Notre planète comptera près de 8 milliards d'habitants en 2030, augmentation largement liée à la poussée démographique des pays émergents. On parle d'un triplement de la demande énergétique entre 1970 et 2030 [1]. Les gisements des ressources énergétiques traditionnelles d’origines principalement fossiles ne peuvent être exploités que pour quelques décennies, ce qui laisse présager d’une situation de pénurie énergétique au niveau mondial de façon imminente.
De nos jours, les hommes sont dépendants des énergies fossiles. Ces énergies non renouvelables ont malheureusement un impact très violent sur notre environnement. En effet, elles se sont révélées très polluantes donc dangereuses pour les hommes mais aussi pour notre écosystème tout entier. Nous remarquons les conséquences de cette pollution atmosphérique tout les jours à travers le réchauffement climatique, les hivers beaucoup plus froids et les étés beaucoup plus chauds, la fonte de la banquise et plus grave encore la disparition de certaines espèces animales. Le danger est encore plus présent depuis que les hommes sont dans l’incapacité de se substituer de ces combustibles. La recherche d’une source d’énergie de remplacement est d’autant plus importante car ces éléments fossiles sont amenés à disparaître et ne peuvent se renouveler avant des millions d’années [2].
Les énergies renouvelables sont donc une bonne alternative à cette diminution des ressources. Elles doivent être pour cela suffisamment productives pour pouvoir remplacer la consommation actuelle ainsi que la demande croissante d’énergie.
Elles sont inépuisables, propres et peuvent être utilisées de manière autogérée (puisqu'elles peuvent être utilisées dans le même lieu où elles sont produites). Elles présentent en outre l'avantage additionnel de se compléter entre elles. Par exemple, l'énergie solaire photovoltaïque fournit de l'électricité les jours dégagés (généralement avec peu de vent), tandis que dans les jours froids et venteux, avec des nuages, ce sont les aérogénérateurs qui prendront le relais et produiront la majorité de l'énergie électrique.
Les énergies renouvelables prennent une importante croissance dans la production mondiale d’électricité. Chaque année entre 2011 et 2017, la production d’électricité ajoutée par les énergies éolienne et photovoltaïque sera plus importante que celle ajoutée par les réacteurs nucléaires en construction [3].
L’énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par le biais d’une cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque. L’électricité produite est disponible sous forme d’électricité directe ou stockée en batteries (énergie électrique décentralisée) ou en électricité injectée dans le réseau. Les cellules (PV) ont des puissances unitaires assez faibles (de l’ordre de 1 W) et afin d’obtenir des puissances élevées, des cellules solaires identiques sont assemblées pour former un module solaire. La mise en série de plusieurs cellules solaires somme les tensions pour un même courant, tandis que la mise en parallèle somme les courants en conservant la tension. Les modules photovoltaïques sont raccordés mécaniquement et électriquement pour former une seule unité: le générateur photovoltaïque (GPV).
15
Donc, le GPV est le composant fondamental de toute installation photovoltaïque quelle soit autonome où raccordée au réseau électrique.
Les applications domestiques ou industrielles étant généralement alimentées en courant alternatif, il est nécessaire de convertir le courant continu produit par le GPV, en courant alternatif avec les mêmes caractéristiques (tension, fréquence, phasage, …) que le courant qui provient du réseau, cette transformation est réalisée grâce à un onduleur.
Étant monophasés ou triphasés, autonomes ou non autonomes, de tension ou de courant, à deux niveaux ou multi niveaux, les onduleurs sont basés sur une structure en pont ou en demi pont , constituée le plus souvent d'interrupteurs électroniques tels que les transistors de puissance ou thyristors. Par un jeu de commutations commandées de manière appropriée (généralement une modulation de largeur d'impulsion), on module la source afin d'obtenir un signal alternatif de fréquence désirée [4].
Actuellement, il existe principalement trois architectures d’onduleurs donnant de bonnes solutions techniques: l’onduleur central, les onduleurs strings et les onduleurs intégrés aux modules [5, 6].
La technologie des onduleurs de tension est la plus maîtrisée et est présentée dans la plupart des systèmes industriels, dans toutes les gammes de puissance (quelques Watts à plusieurs MW). L’assemblage des composants électroniques (IGBT, MOSFET, GTO,…) de différentes manières permet d’aboutir à plusieurs topologies d’onduleurs.
L’objectif de cette présente thèse est la contribution à l’étude des différentes topologies d’onduleurs qui peuvent être rencontrées dans les systèmes photovoltaïques autonomes (ou raccordés aux réseaux électriques).
Elle est organisée en six (06) chapitres comme suit :
Chapitre I : un constat sur la consommation de l’énergie dans le monde, des concepts de base sur les énergies renouvelables et en particulier l’énergie solaire sont présentés. Chapitre II : présente une étude sur la source photovoltaïque (qui est le rayonnement
solaire), ses caractéristiques et les techniques de son utilisation et énumère les différents éléments qui composent une installation photovoltaïque.
Chapitre III : développe et évalue les quatre modèles de la source PV tout en essayant de prendre le maximum de paramètres en considération.
Chapitre IV : une classification des différentes topologies d’onduleurs pour systèmes photovoltaïques est illustrée
Chapitre V : Simulation d’Onduleurs Photovoltaïques Couplés aux Réseaux Électriques BTA est développée dans le logiciel MATLAB/SIMULINK.
Chapitre VI : Simulation d’Onduleurs Photovoltaïques multi niveaux Couplés aux Réseaux Électriques BTB et HT est développée dans le même logiciel.
Une conclusion générale clôture et souligne une série d'orientations futures de développement, sur la base de l'état actuel de la recherche.
Références
[1] Les clés pour comprendre : économie de l’énergie, les sources d’énergie,
16
[2] SOS ENERGIE, La nanotechnologie au service du solaire, l’énergie du futur : introduction http://www.http://sosenergie.unblog.fr/introduction/ , consulté le 19/07/2014.
[3] « L'électricité éolienne dans le monde », http://www.energeia.site.voila.fr/index2.html (consulté le 15/08/2014).
[4] Pierre Lefranc, « Étude, conception et réalisation de circuits de commande d'IGBT de forte puissance », Thèse de doctorat, INSA de Lyon, 2005.
[5] M. Calais, J. Myrzik, T. Spooner, and V.G. Agelidis, «Inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems- An overview », in Proc. IEEE PESC’02, vol. 2, pp. 1995– 2000, 2002.
[6] F. Blaabjerg, R. Teodorescu, M. Liserre and A.V. Timbus, «Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems », IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol.53, No.5, October 2006.
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I.1 Introduction
our remédier aux problèmes de l’épuisement progressif des combustibles fossiles (pétrole, gaz et charbon) et les émissions des gaz à effet de serre la production de l’énergie électrique par des moyens propres (non polluants) est devenue d’une nécessité primordiale [1]. Ces moyens sont connus sous le nom d’énergies renouvelables.
L’électricité renouvelable, aussi appelée électricité verte ou électricité propre, est produite uniquement à partir des sources d’énergie renouvelables: l’éolien, le solaire photovoltaïque, l’hélio thermodynamique, la géothermie, la biomasse solide et notamment le bois, le biogaz, l’hydraulique, les énergies marines et les déchets. La composante essentielle de toutes ces énergies est l’énergie solaire [2].
Cette dernière contribue à la satisfaction des besoins mondiaux qui ne cessent d’augmenter et surtout de réduire la pollution de l’environnement par les GES car elle est propre, sans bruit et non épuisable.
Le flux d’énergie solaire reçu annuellement sur la surface de la Terre représente environ 10000 fois la consommation d’énergie mondiale, et en fait l’une des ressources renouvelables les plus abondantes Une partie de l’énergie peut être convertie directement en électricité par des capteurs : c’est l’énergie photovoltaïque (PV) [3].
La filière photovoltaïque est très liée aux filières de : physique générale, physique des semi-conducteurs, électronique de puissance, électrotechnique,….
On distingue deux types de centrales photovoltaïques à savoir les centrales autonomes et les centrales couplées aux réseaux électriques.
Dans ce chapitre, on va présenter un constat sur la consommation de l’énergie dans le monde, des concepts de base sur les énergies renouvelables et en particulier l’énergie solaire.
I.2 Ressources et consommation énergétiques mondiales
I.2.1 L’énergie …c'est-à-dire ?
L’énergie caractérise la capacité à produire des actions, par exemple à engendrer du mouvement, modifier la température d’un corps ou à transformer la matière. L’énergie provient des différentes sources que l’on trouve dans la nature : le bois, le charbon, le pétrole, le gaz, le vent, le rayonnement solaire, les chutes d’eau, la chaleur interne de la terre et l’uranium. Elle peut prendre différentes formes : chaleur, énergie musculaire, énergie mécanique, chimique, énergie électrique par exemple. Ses formes multiples peuvent se transformer l’une en l’autre (Fig. (I.1)) [4].
I.2.2 L’histoire de l’énergie
Le besoin d’énergie dans le monde préindustriel était principalement fourni par l’homme ou l’animal. En dehors de ces moyens, l’énergie pouvait être obtenue de manière limitée, par la combustion du bois, pour le chauffage, la cuisson ou la fonte des métaux.
La découverte du charbon, si abondant dans la nature, et les avancées technologiques dans son utilisation sont à l’origine de la révolution industrielle. Grâce au combustible « charbon », les machines à vapeur, la mécanisation de la production, l’amélioration des transports, ont été rapidement introduits par la suite.
Les années entre les deux guerres mondiales ont vu la montée de l’exploration et de l’exploitation du pétrole. La prospérité et l’expansion postindustrielle de l’après guerre sont indéniablement
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liées à l’usage du pétrole, ainsi qu’au développement de l’industrie automobile. Plus récemment, on a pu constater une nouvelle phase de la croissance économique grâce à l’usage de plus en plus grand du gaz naturel.
La découverte de la radioactivité naturelle en 1896 a ouvert la voie à la maîtrise de l’atome. L'énergie nucléaire de fission était née. Il s'agit de casser de très gros atomes d’uranium pour libérer de l’énergie.
Une grande proportion de l’électricité produite dans le monde provient du charbon et du gaz naturel, et ceci pour plus d’un siècle. L’électricité est la forme première de l’énergie, grâce à la facilité de son utilisation. La demande est en croissance permanente, due à l’usage de plus en plus grand des appareils électriques et électroniques par les consommateurs, par l’augmentation de l’activité industrielle associée, et par son élargissement en monde entier [I.5].
Fig. (I.1) Relations entre les différentes formes d’énergie [4]
I.2.3 Consommation énergétique mondiale
L'énergie est un enjeu vital au niveau mondial. Inégalement répartie et inégalement consommée,
avec des réserves naturelles qui ne sont pas inépuisables, on peut s'interroger sur l'avenir de la demande énergétique au niveau mondial. Comment a évolué la consommation mondiale depuis vingt ans ? Quelles sont les tendances à l'horizon 2030 ? Quels facteurs expliquent ces changements ? Voici quelques éléments de réponse.
Aujourd'hui, plus que jamais, les besoins en énergie de l'humanité sont colossaux et en constante augmentation. Ainsi, La consommation d'énergie primaire a fait un bond de 49 % en vingt-cinq ans (1980-2005). Cette progression, un temps ralenti par les difficultés économiques des années 1990, reprend de plus belle depuis le début du siècle (+ 21 % entre 1980 et 1989, + 7 % entre 1989 et 1997, + 14 % entre 1997 et 2005). L'énergie primaire consommée chaque jour dans le monde provient en grande partie de matières premières que l'on extrait du sous-sol (pétrole, gaz, charbon, uranium).
Selon les statistiques (2007) de l’agence internationale de l’énergie (AIE), la consommation est représentée comme suit [6]:
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Fig. (I.2) Évolution de la consommation de l’énergie entre (1975 -2005) [6] Où on remarque que le pétrole est toujours vedette.
La consommation mondiale d'énergie a atteint 11633 millions de tep en 2006. Soit : 3055 pour le solide, 3888 pour les produits pétroliers et le pétrole, 2420 pour le gaz naturel, 1056 pour l’électricité primaire et 1200 pour la biomasse.
En 2007, la consommation mondiale de l’énergie est représentée sur la figure suivante (Fig.(I.3)): (a) (b) (c)
Fig. (I.3)Consommation mondiale d’énergie en 2007 [7]
(a) Consommation mondiale totale, (b): par personne(en kg équivalent/pétrole par jour), (c) : Consommation mondiale par région 2007
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Et selon l’agence internationale de l’énergie(AIE), (statistiques 2012)
(a)
(b)
Fig. (I.4) Évolution de la consommation d’énergie primaire (en millions de tep) [10] (a) : Évolution par source,
(b) : Évolution par zone géographique
Le graphique suivant représente la consommation d’énergie primaire et finale dans le monde selon la référence [8].
21
Et le graphique de la (Fig. (I.6)) (selon la même référence) donne les prévisions d’évolution de la consommation des différentes énergies entre 2010 et 2030.
Fig. (I.6) Projection des consommations d’énergie par origine [8]
I.2.4 Impact sur l’environnement
I.2.4.1 Les combustibles fossiles
Le principal inconvénient de l'utilisation des énergies fossiles est qu'elles produisent du dioxyde de carbone (CO2), Gaz à effet de serre, le CO2 est en effet un des principaux éléments
responsable des pollutions acides. A lui seul, le dioxyde de carbone a entraîné plus de 50% de l'augmentation de l'ensemble des gaz à effet de serre. Son impact environnemental s'inscrit dans le long terme, sa durée de vie dans l'atmosphère étant de plusieurs siècles.
Par ailleurs, le CO2 n'est pas le seul gaz à effet de serre issu de la combustion des carburants
d’origine fossile ; la combustion de l’air qui contient 78% d’azote produit inévitablement des oxydes d’azote, NO, NO2 et N2O globalement notés NOx ; et les sulfures contenus dans le
combustible vont donner des émissions de SO2 ; ou d’autres oxydes, globalement notés SOx. Ces
gaz NOx et SOx sont à l’origine des pluies acides [5].
L’augmentation de la teneur en CO2 constatée dans l’atmosphère est liée à l’activité humaine et
en premier lieu à la production d’énergie utile. Voisine de 260 ppmv avant la période industrielle, la teneur en CO2 a augmenté de façon nettement perceptible au cours du 20ème
siècle (Fig. (I.7). Elle a atteint 388 ppmv en 2010 et continue sa croissance au rythme voisin de 2 ppmv chaque année (2,14 ppmv en 2007, d’après les scientifiques de la NOAA) [9].
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Fig. (I.7) Évolution des émissions de CO2 par zone économique [10]
L’accroissement de « l’effet de serre » qui en résulte provoque une élévation de la température moyenne du globe qui va en s’accélérant. C’est ainsi qu’au cours du 20ème siècle, la température moyenne de l’air à la surface du globe a augmenté d’environ 0,75°C. Mais la vitesse de réchauffement au cours des 50 dernières années (0,13°C par décennie) est le double de celle calculée pour l’ensemble du siècle et (11 années) parmi ces12 dernières années figurent au palmarès des années les plus chaudes depuis 1850 [11]. Ce réchauffement induit des changements climatiques dont les effets à long terme pourraient être dramatiques pour la planète : augmentation de la température moyenne de plusieurs degrés au cours du 21ème siècle, fonte des glaces polaires, élévation notable du niveau des mers, modification des courants marins, augmentation des précipitations, des tornades etc… .
Sous l’égide de l’ONU, le sommet de Rio en 1992 et le protocole de Kyoto en 1997 ont conduit à des accords internationaux visant à stabiliser les émissions globales à l’échéance 2008 – 2012 au niveau de celles de l’année 1990. Pour laisser une plus grande latitude aux pays en voie de développement, les pays industrialisés se sont engagés à réduire en moyenne leurs émissions de 5,2% et pour sa part, l’Union Européenne a pris l’engagement d’une réduction moyenne de 20% d’ici 2020, par rapport à 1990.
Cette première phase du protocole de Kyoto n’est qu’une modeste amorce des efforts à déployer pour plafonner à 450 ppmv la concentration du CO2 atmosphérique et limiter à moins de 2°C le
réchauffement de la planète au cours du 21ème siècle.
Un consensus semble s’établir pour « l’après 2012 » sur un objectif de division par 2 des émissions mondiales de CO2 à l’horizon 2050. La concrétisation de ceci demandera de longues
discussions mais, même si la ratification et l’application de ces accords rencontrent des difficultés, ils auront un impact déterminant sur l’industrie de l’énergie. Ils impliqueront en particulier que la répartition actuelle des sources d’énergie primaire exploitées soit largement modifiée et que soit divisée par 2 la part des combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel) [8, 9].
I.2.4.2 L’énergie nucléaire
Le principal inconvénient, pour l'environnement, de l'énergie nucléaire est la production de déchets radioactifs.
La quantité de déchets nucléaires est nettement moins importante que celle des autres types de déchets (moins de 1kg par habitant et par an, contre 800kg de déchets industriels et 2200kg de déchets ménagers par habitant et par an). Les déchets radioactifs, les émissions de rayons ionisants et la décontamination finale des réacteurs radioactifs sont rarement pris en compte, et doivent entrer dans la catégorie des coûts externes supplémentaires.
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Mais il y a aussi des études concernant les dommages environnementaux causés par les mines d’uranium, mais ils montrent qu’ils sont similaires à ceux des mines de charbon.
L’accident nucléaire Fukushima au Japon survenu le 11 mars 2011 est un exemple majeur classé au niveau 7 (le plus élevé) de l'échelle internationale des événements nucléaires, ce qui le place au même degré de gravité que la catastrophe de Tchernobyl (1986), compte tenu du volume important des rejets [12].
I.2.5 Réserves des énergies dites épuisables (non renouvelables)
L’humanité a bâti une civilisation industrielle avancée et, pour la construire et la faire fonctionner, a successivement dompté les énergies offertes par la nature: le vent, les chutes d’eau, la combustion du bois et, plus récemment, des formes d’énergies plus difficilement accessibles comme : le charbon, le pétrole et le gaz naturel, la fission nucléaire Beaucoup de ces énergies sont épuisables, c’est-à-dire qu’un jour il n’y en aura plus et pour qu’elles se reconstituent if faudrait des millions d’années. Alors la question qui se pose maintenant est : Où en sommes –nous des réserves ?
Il est extrêmement difficile de déterminer précisément jusqu’à quand on pourra utiliser les combustibles fossiles. Selon la plupart des compagnies pétrolières et de gaz, de nouvelles ressources importantes de pétrole pourront être exploitées, ou restent à découvrir. On admet généralement que les réserves de pétrole en exploitation permettent de satisfaire la demande actuelle pour encore 30 ans. Pour le gaz, les dernières estimations indiquent une période plus grande que le pétrole, soit 60 ans [5].
Selon toujours les références [8, 9], la situation en ce qui concerne le pétrole, le gaz naturel et les minéraux solides (charbon, bitumineux et lignite) est résumée dans le tableau suivant:
Réserves mondiales prouvées R/P (au rythme actuel de la consommation) (années) Pétrole (GTep) 235,8 52,9 Gaz naturel (trillions m3) 187,3 55,7 Minéraux solides (millions t) 861 109
Tableau (I.1) Réserves d’énergies primaires fossiles (base 2012) [10]
Ces chiffres sont préoccupants, d’autant que pour le pétrole 2/3 des réserves sont situées au Moyen Orient et 80% dans les Pays de l’OPEP. Nous risquons dans quelques décennies, et en particulier pour le pétrole, d’être confrontés à des tensions sur les approvisionnements et à de fortes augmentations de prix.
Cependant il y a par ailleurs d’autres ressources à base de corps hydrogéno-carbonés, comme les schistes bitumeux, des huiles lourdes du méthane provenant du charbon (grisou) dont le total en équivalent énergétique peut être estimé à 3 fois les ressources en pétrole et en gaz. Elles sont plus coûteuses à extraire mais deviendront exploitables si le prix des énergies fossiles traditionnelles
24
continue à croître, en particulier parce que les accès aux sources d’approvisionnement les plus faciles risquent de diminuer.
Heureusement, pour les économies dépendantes des énergies d’origine fossile, on considère que les réserves en charbon sont plusieurs fois grandes que celles du pétrole ou du gaz et pourraient servir durant plusieurs centaines d’années [5].
Une autre énergie épuisable c’est l’est l’énergie nucléaire dont la principale source est la fission de l’uranium 235, elle représente 6,5 % de l’énergie mondiale consommée.
Comme l’uranium est un gisement dans les réserves seront presque exploitables en l’an 2140, une autre source d’énergie nucléaire qui est selon la référence [13] trois fois plus abondante que l’uranium, c’est le thorium(Th) dont les réserves sont aux environs de 02 millions de tonnes dont l’Inde dispose en effet sur son territoire d'1/4 des réserves mondiales de ce métal convertible en uranium 233, matière fissile introuvable à l'état naturel. Le thorium possède également l'avantage de produire moins de déchets que l'uranium. Actuellement, l'Inde teste un mini-réacteur à thorium d'une puissance de 30 MW. Elle lance en ce moment un programme de réalisation d'un prototype de centrale, qui pourrait ouvrir la voie à une exploitation commerciale dès 2020[13].
En Algérie :
À l’échelle mondiale, les capacités gazières algériennes sont très significatives. Le pays possède entre 1,3% soit 2000 Mds m3 [14] et 2,4% soit environ 4 500 Mds de m³ des réserves mondiales de gaz, et a produit en 2012, 73,4 Mds m3 de gaz naturel commercialisable soit 2,4% de la production mondiale, ce qui place l’Algérie au 9ème rang des pays producteurs de gaz, certes loin
donc derrière les « géants » (Etats-Unis, Russie, Iran), mais juste après les « grands » (Norvège, Qatar, Chine) et elle en est le premier (producteur) en Afrique [15].
Le poids de l’Algérie dans la production pétrolière mondiale est plus limité. Avec une production de 73 M TEP en 2012 soit 1,8% de la production mondiale, l’Algérie se classe au 17ème rang mondial, loin derrière les «géants» (Russie, Arabie Saoudite, Etats-Unis) ou les «grands» (Iran, Chine, Canada, Mexique), et au 3ème rang en Afrique après le Nigéria et l’Angola malgré le triplement de sa production en 50 ans.
La production d’hydrocarbures connait une diversification croissante. L’exploitation du pétrole en Algérie, qui représentait 95,5% de la production d’hydrocarbures en 1970 a été progressivement supplantée par le gaz au milieu des années 90 pour ne représenter que 50% de la production en 2012 [14]. En outre, les produits raffinés à forte valeur ajoutée, soit les produits pétroliers dérivés du pétrole brut, les condensats et le Gaz de pétrole Liquéfié (GPL)) enregistrent un essor rapide. Leur production a augmenté de 32,5% entre 2000 et 2010 en passant de 430 000 b/j à 570 000 b/j [16].
Au-delà des sites historiques d’Hassi Messouad et Hassi R’Mel, qui représentent respectivement 70% des réserves pétrolières et 50% des réserves de gaz et continuent d’assurer environ 28% et 60%5 de la production algérienne d’hydrocarbures en 2012 [14], d’autres gisements, notamment ceux de Berkine (14% des réserves de gaz et 8% des réserves de pétrole) et d’Illizi (14% des réserves de gaz et de pétrole) ont été développés depuis, tandis que d’autres (Regane, Ahnet/Timimoun, etc.) sont actuellement en phase de développement.
Les réserves d’hydrocarbures non conventionnels (gaz de schiste) sont estimées pour leur part 700 trillions de m3 ce qui correspond à quatre fois le niveau de ses réserves gazières actuelles et les troisièmes réserves plus importantes au monde.
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I.3 Production de l’électricité
La Fig. (I.8) montre les moyens pouvant être utilisés pour convertir les divers types d’énergie en électricité. Aujourd’hui, le chemin universellement utilisé pour aller jusqu’au générateur électrique est indiqué sur la (Fig. (I.8)) par la ligne en trait épais qui part de la combustion d’un carburant chimique pour obtenir de l’énergie thermique, puis mécanique et enfin de l’énergie électrique.
D’après la figure, on peut donc conclure que lorsque le charbon, le pétrole ou le gaz sont utilisés, seulement 35 à 50% de l’énergie primaire est convertie véritablement, le reste étant perdu dans l’environnement sous forme de chaleur.
Un moyen de contourner la limite du rendement de Carnot (<60%) est de récupérer cette chaleur perdue. C’est le principe des centrales de cogénération (CHP pour Combined Heat and Power) que l’on utilise partout ailleurs. Dans ce procédé, l’énergie thermique de la centrale – non convertie en énergie mécanique – est récupérée et distribuée localement dans les circuits de vapeur ou d’eau chaude pour l’industrie ou pour le chauffage urbain. Ceci nécessite une infrastructure appropriée, et n’est viable que si la centrale a en quelque sorte une clientèle réservée pour le chauffage.
Un parcours de conversion chimique – électrique est réalisé grâce aux piles à combustible qui deviennent viables commercialement.
Enfin le parcours qui nous intéresse, dans ce présent travail, est le parcours direct du solaire vers l’électricité qui est obtenu grâce à la technologie photovoltaïque, cette dernière paraît plus prometteuse [5]. Conversion Photovoltaïque Conversion Solaire-thermique Pile à combustible η ≥ 90% η ≥ 90% Générateurs Électriques η < 60% Conversion (chaleur-travail Nucléaire Gravitationnel (Marées) Nucléaire
Thermique Mécanique
Électrique
Chimique (Charbon, fioul,
gaz, biomasse, hydrogène
Solaire
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I.4 Énergies renouvelables
I.4.1 Généralités
Une énergie est dite renouvelable quand, sur une centaine d’années, on n’en consomme pas plus que la nature n’en produit. Le caractère renouvelable ou non d’une source d’énergie dépend de la rapidité avec laquelle elle est utilisée.
La Fig. (I.9) fournit une vue d’ensemble des principales ressources énergétiques sur terre qui peuvent être exploitées pour créer de manière viable de l’électricité. La source principale des énergies renouvelables facilement accessible est le soleil.
En moyenne, le taux de rayonnement solaire intercepté par la surface de la terre est environ 8000 fois plus grand que la consommation d’énergie primaire.
La figure (I.9) montre que le flux d’énergie peut être obtenu directement en utilisant une technologie thermique ou photovoltaïque, ou indirectement, grâce au vent, aux vagues, aux barrages sur rivière et aux biocarburants. Deux autres sources d’énergie sont souvent considérées comme renouvelables si on considère leur nature et leur visibilité :
a) L’énergie des marées, provenant de l’attraction lunaire et solaire sur les océans, qui peut être exploitée grâce à une usine marémotrice ou une technologie adaptée aux courants marins. 10TW 3TW 1200000TW Absorption par La terre Photosynthèse Échauffement De l’atmosphère Évaporation d’eau Rayonnement direct Chauffage direct
Technologies des énergies renouvelables Mode
De transport
Soleil
Électricité d’origine thermique
Électricité photovoltaïque
Hydroélectricité
Conversion de l’énergie éolienne ou des vagues en électricité Biocarburants Usines marémotrices Centrales géothermiques Forces de gravitation (Lune-Soleil Noyau terrestre
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b) L’énergie géothermique provenant du centre de la terre, accessible à certains endroits grâce à des sources d’eau chaude, des geysers ou des trous de forage. La puissance moyenne que l’on peut ainsi obtenir est une petite fraction de ce que fournit le soleil. La plupart des énergies renouvelables sont facilement converties en électricité. Mais les énergies solaire, géothermique ou provenant de la biomasse peuvent aussi servir à fournir de la chaleur. Elles peuvent assurer tous les services prévus par les sources conventionnelles ; le chauffage, la réfrigération, l’électricité et le transport. Cependant, pour satisfaire de plus en plus les consommateurs, les énergies renouvelables seront surtout utilisées sous forme électrique.
Ce type d’énergie est actuellement en pleine croissance. Les éoliennes et les panneaux solaires photovoltaïques sont les éléments moteurs de cette croissance, dans les grandes sociétés internationales comme GE (General Electric) ou Siemens qui sont entrés dans le marché de l’éolien et BP, Shell et les Japonais Sharp et Sanyo dans celui du photovoltaïque. En Chine, cinq des plus grandes compagnies électriques et d’équipement de générateurs ont récemment commencé à développer la technologie des aérogénérateurs.
C’est dans le domaine des centrales solaires photovoltaïques reliées au réseau que la croissance est la plus grande avec un taux de 40% par an [5].
Selon le rapport mondial 2012 sur les énergies renouvelables réalisé par REN21, dans le secteur de l'électricité, la part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique mondiale finale en 2010 est illustrée par la Fig. (I.10) :
Fig. (I.10) Part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique mondiale finale en 2010
I.4.2 Production d’énergie électrique par sources renouvelables
I.4.2.1 La production d’électricité, un facteur de développement.
L’électricité est un facteur essentiel au développement économique dans tous les pays du monde. Son importance s’accroît avec les progrès techniques, l’industrialisation et le besoin de confort. L’augmentation de sa production est le synonyme d’amélioration de la qualité de vie et de création de richesse. La production d’électricité, amenée au nombre d’habitants, est donc un bon indicateur permettant de mesurer les écarts de développement entre les différentes régions du monde. Comme on le constate sur la Fig. (I.11), l’Amérique du nord est comme toujours la région où l’on produit le plus d’électricité par habitant (14392kWh/hab.). C’est plus de deux fois qu’en
28
Europe de l’ouest (6657kWh/hab.), plus de trois fois qu’en Europe centrale (4458kWh/hab.), encore cinq fois qu’en Asie de l’Est et du sud-est (3277kWh/hab.), neuf fois qu’en Afrique du nord (1670kWh/hab.) et trente fois plus qu’en Afrique subsaharienne (475kWh/hab.) [18].
Fig. (I.11) Production d’électricité par habitant en 2011 dans les régions du monde (kWh/hab.) [18]
I.4.2.2 Part de la production d’électricité renouvelable dans le monde
La production d’électricité renouvelable (incluant la production de pompage-turbinage) a atteint 4447,5 TWh en 2011 dans le monde (soit 20,2%). les combustibles fossiles demeurent le socle de la production d’électricité mondiale avec plus des deux tiers du total (67,7% en 2011) et un peu plus d’un électron sur dix (11,7%) est d’origine nucléaire. Les 0,2% restant sont apportés par la combustion des déchets qualifiés de non renouvelable.
L’électricité renouvelable provient des six sources distinctes : l’hydroélectricité (incluant les centrales pompage-turbinage) est la principale d’entre elles avec une contribution de 80,5% , l’énergie éolienne ,qui depuis 2009 est devenue la deuxième source d’énergie renouvelable , représente 10,3% du total renouvelable. Elle devance aujourd’hui la filière biomasse, qui rassemble la biomasse solide, la biomasse liquide, le biogaz et les déchets ménagers renouvelables (6,2%). Suivent la géothermie (1,6%) et le solaire (1,4%) qui rassemblent la centrales photovoltaïques et les centrales solaires thermiques, finalement les énergies marines (0,01%) [15].
Le tableau (I.2) présente la structure de la production d’électricité d’origine renouvelable en 2011 [18]: Source TWh en 2011 % en 2011 Hydraulique 3597,5 80,5 Éolien 459,9 10,3 Biomasse 276,0 6,2 Géothermie 69,9 1,6 Solaire 61,6 1,4 Énergies marines 0,555 0,01 Total 4447,5 100
Tableau (I.2) Structure de la production d’électricité renouvelable en 2011 [18]
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(a) (b)
Fig. (I.12) Structure de la production d’électricité2 [18] (a) : d’origine globale
(b) : d’origine renouvelable
I.4.2.3 Croissance des filières renouvelables cinq (05) fois plus rapide que celle
de l’hydraulique
Sur la période 2001-2011, la croissance de la production des filières renouvelables hors hydraulique a été près de cinq fois plus rapide que celle de l’hydraulique, soit une moyenne annuelle de 14,4% contre 3,1% pour l’hydraulique.
Résultat, la part des filières renouvelables sans hydraulique a pris 2,5 points dans la production mondiale d’électricité, passant de 1,5% du total en 2004 à 4% du total en 2011. À l’inverse, la part de l’hydroélectricité a perdu 0,7 point dans le total mondial ( de 17% en 2001 à 16,3% en 2011) [19].
Une analyse détaillée filière par filière permet de montrer que c’est la production d’électricité solaire qui affiche le plus fort taux de croissance annuel moyen sur la période (+45,8%). Cette croissance est largement inférieure à celle enregistrée entre 2010 et 2011 (+84%)[voir Fig. (I.13)].
Fig. (I.13) Taux de croissance annuel moyen 2001-2011 [19]
Sur la même période, la croissance de la filière éolienne est également importante (+28,3%) en moyenne par an. Le rythme de croissance entre 2010 et 2011 est resté élevé (+30,9%), signe de la mondialisation de la filière.
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La croissance de la filière biomasse est plus modérée (+7,5%), mais reste plus de deux fois supérieure à celle de la production d’électricité totale. Cette croissance est un peu moins active entre 2010 et 2011 (+2,2%) dans un contexte de forte croissance de la production
Parmi les sous-filières d’électricité biomasse, la biomasse solide (68,5% de l’électricité biomasse en 2011) a augmenté de 6,7% par an en moyenne. La croissance de l’électricité biogaz a été beaucoup plus importante (+12,7% par an en moyenne) en raison du développement de la méthanisation comme moyen de traitement des déchets, mais également de la méthanisation de cultures énergétiques.
I.4.3 Potentiel de l’énergie solaire
L’énergie solaire est inépuisable, disponible partout dans le monde et ne produit ni déchet, ni gaz à effet de serre. C’est la raison pour laquelle le parc photovoltaïque se développe considérablement dans le monde depuis une dizaine d'années. Fin 2011, la capacité totale installée était évaluée à près de 67 400 MW, contre 1 500 MW en 2000. Le rythme d’installation de nouvelles capacités de production, en constante augmentation, a désormais dépassé les 27 000 MW par an. Les premières centrales solaires de grande capacité (plusieurs dizaines, voire centaines de MW) ont vu le jour et leur nombre se multiplie. En termes économiques, le marché mondial de l’industrie solaire photovoltaïque a représenté environ 90 milliards de dollars en 2011[20].
Fig. (I.14) Développement de la capacité photovoltaïque mondiale (MW) [20]
EPIA (European Photovoltaic Industry Association), ou l’association européenne du photovoltaïque, prévoit que le parc installé pourrait atteindre environ 1 800 000 MW en 2030, pour une production représentant 14 % de la consommation mondiale d’électricité. À cette échéance, le solaire photovoltaïque permettra de fournir de l'électricité à plus de 4,5 milliards d’individus, dont 3,2 milliards dans les pays en développement où le photovoltaïque constitue un mode économique de production d’électricité dans les zones éloignées des réseaux.
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Fig. (I.15) Capacité photovoltaïque globale cumulée à l’horizon 2030 [20]
La répartition géographique de la capacité photovoltaïque cumulée est illustrée sur la Fig. (I.16) comme suit :
Fig. (I.16) Marché photovoltaïque mondial et européen 2010 (MW) [20]
I.4.3.1 Exemples de l’évolution mondiale du solaire photovoltaïque
a) L’Allemagne
L’Allemagne a été le précurseur dans l’instauration d’un mécanisme de tarif d’achat pour soutenir le développement de la filière. Avec 24 700 MW de puissance cumulée installée fin 2011, ce pays est le premier producteur mondial d’électricité photovoltaïque. Pour la seule année 2011, elle a installé environ 7 500 MWc, soit 27 % du marché mondial. Depuis janvier 2010, la croissance du photovoltaïque en Allemagne est encadrée par un système de tarifs indexés sur les volumes de projets réalisés, avec un objectif fixé par les pouvoirs publics à 51 000 MW à l’horizon 2020 [20].
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b) L’Italie
En Italie, le tarif d’achat est fonction de la taille de l’installation et du degré d’intégration des procédés photovoltaïques. Le marché italien a récemment franchi un seuil significatif, passant de 2 500 MWc en 2010 à 9 000 MWc en 2011. Le parc cumulé est évalué à 12 500 MWc, ce qui fait de l’Italie le deuxième pays au monde en termes de capacités totales installées [20].
c) Le Japon
Le Japon a été le premier pays à développer fortement l’usage du photovoltaïque : les premières subventions pour l’installation de panneaux solaires photovoltaïques datent de 1994. Fin 2011, le parc japonais atteignait 4 700 MWc. 1 100 MWc ont été raccordés au réseau durant cette seule année [20].
d) Les Etats-Unis
Le marché des États-Unis est en plein essor. Le cabinet de consulting GTM Research et l’association américaine des industries solaires (SEIA) ont estimé le marché 2012 à 3313MWc (dont 1033MWc pour le seul état de Californie), ce qui constitue un nouveau record d’installation pour ce pays. La puissance photovoltaïque cumulée y est désormais de 7221MWc.
Selon, toujours, GTM Research, le marché a été très actif ne 2012, avec une valeur de marché des installations solaires de l’ordre de 11,5 milliards de dollars en 2012. Pour 2013, le rapport prévoit un marché d’au moins 4300MWc (+29% par rapport à 2012) et mette en avant la diminution des coûts et la mise en place de nouveaux circuits de financement.
e) La Chine
La Chine deviendra très certainement le premier marché mondial dès 2012. Le gouvernement chinois a annoncé qu’il espérait atteindre un volume d’installation de l’ordre de 10GWc en 2013 (soit plus du double qu’en 2012). Depuis deux ans, le pays a constamment revu ses objectisf à la hausse (40GWc d’ici 2015).
I.4.3.2 Les énergies renouvelables, une priorité en Algérie
L’Algérie amorce une dynamique d’énergie verte en lançant un programme ambitieux de développement des énergies renouvelables (EnR) et d’efficacité énergétique. Cette vision du gouvernement algérien s’appuie sur une stratégie axée sur la mise en valeur des ressources inépuisables comme le solaire et leur utilisation pour diversifier les sources d’énergie et préparer l’Algérie de demain. Grâce à la combinaison des initiatives et des intelligences, l’Algérie s’engage dans une nouvelle ère énergétique durable.
Le potentiel national en énergies renouvelables étant fortement dominé par le solaire, l’Algérie considère cette énergie comme une opportunité et un levier de développement économique et social, notamment à travers l’implantation d’industries créatrices de richesse et d’emplois.
Le programme consiste à installer une puissance d’origine renouvelable de près de 22 000 MW entre 2011 et 2030 dont 12 000 MW seront dédiés à couvrir la demande nationale en électricité et 10 000 MW à l’exportation [21]. Comparativement, les potentiels en éolien, en biomasse, en géothermie et en hydroélectricité sont beaucoup moins importants.
Les projets EnR de production de l’électricité dédiés au marché national seront menés en trois phases :
a) Phase 2011-2013 : pour tester les différentes filières d’énergies renouvelables
b) Phase 2014-2015 : déploiement du programme électricité renouvelable et la construction des équipements.
